5.1光电效应和光电器件（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

根据光的波粒二象性，可以认为光是一种以光速运动的粒子流，称为光子。每个光子具有的能量为 光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且一个光子的全部能量一次性地被一个电子吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，称这种物理效应为光电效应。根据光电效应的不同机理，光电效应可分为三类：外光电效应、内光电效应和阻挡层光电效应。 光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。基于外光电效应的光电器件有紫外光电管、光电管、光电倍增管、光电摄像管等 h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1） m—电子质量；v0—电子逸出速度。 外光电效应 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。 紫外线 紫外管外形 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。 外光电效应 h A 0 = g 内光电效应 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 光→半导体→电子吸收能量（ ）→跃迁 →电子-空穴对→电导率增大 当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。基于内光电效应的光电器件有光敏电阻。 当光敏电阻受到光照时，阻值减小。 光敏电阻 光→PN结→电子→N, 空穴→P→电动势 光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 内光电效应 势垒效应（结光电效应）：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。 光敏二极管外形 光敏三极管外形 光敏面 光电池外形 能提供较大电流的大面积光电池外形 E Iφ U0 RL 1.光电管 原理：光→阴极→光电子→阳极→空间电子流→外接电阻→压降U=f(I)（实现光电转换） 特点：简单，灵敏度低 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 在入射光极为微弱时，光电倍增管能产生的光电流就很大 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极 光电倍增管 原理：光→阴极→光电倍增极→阳极→电流 特点：光电流大，灵敏度高 倍增率=δn ,δ-单极倍增率（3-6）， n-倍增极数（4-14） （1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 　 真空光电管 充气光电管 150 100 50 2 0 20μlm 40μlm 60μlm 80μlm 100μlm 120μlm 4 6 8 10 12 阴极电压/V IA/μA 2 0 100 50 弱光 强光 150 4 6 8 10 12 阴极电压/V IA/μA （2）光电管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。 光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。 光电管的光照